Родился в деревне Орехово под Владимиром (ныне Собинский район Владимирской области) в семье инженера. В феврале 1858 года Николай Жуковский поступил в 4-ю Московскую гимназию. Учась в гимназии, Жуковский мечтал стать — как отец — инженером-путейцем, учиться в Петербургском институте путей сообщения, но этого не позволили весьма ограниченные средства его родителей; плата за обучение в Московском университете была существенно ниже. Поэтому, закончив в 1864 году гимназию с серебряной медалью, Николай Жуковский без экзаменов был зачислен на физико-математический факультет Московского университета.
По окончании университета в 1868 году, пытался учиться в Петербургском институте путей сообщения, но неуспешно. 15 августа 1870 г. Жуковский занял место преподавателя физики во 2-й женской гимназии вместо уехавшего в Одессу профессора физики Н. А. Умова. В 1871 году сдал магистерские экзамены и стал преподавать математику (с конца 1871 года) и механику (сначала 1872 года) в Московском высшем техническом училище; 14 сентября 1874 г. Жуковский утверждён доцентом кафедры аналитической механики училища; 4 ноября 1876 г. состоялась публичная защита его магистерской диссертации, а 30 апреля 1882 г. Жуковский защитил диссертацию на степень доктора прикладной математики, представив работу «О прочности движения». С 1886 г. Н. Е. Жуковский — экстраординарный профессор Московского университета по кафедре прикладной механики.
С 1893 г. — действительный статский советник. В 1894 г. Жуковский был избран членом-корреспондентом Академии наук. В 1905 г. избран президентом Московского математического общества. В 1920 г. в ознаменование 50-летия научной деятельности Жуковского и больших заслуг его как «отца русской авиации» был издан декрет Совета Народных Комиссаров за подписью В. И. Ленина об учреждении премии им. Н. Е. Жуковского за лучшие труды по математике и механике, об издании трудов Жуковского, а также о ряде льгот для самого учёного.
В 1883 г. в статье «Приложение теории центров ускорений высших порядков к направляющему механизму Чебышёва» Н. Е. Жуковский применил аппарат теории ускорений высших порядков (созданной в трудах А. Трансона, А. Резаля и О. И. Сомова) к теории механизмов — в задаче о синтезе симметричного прямолинейно-направляющего механизма Чебышёва. В 1890 г. появилась публикация в Математическом сборнике Московского университета большой работы Н. Е. Жуковского «Видоизменение метода Кирхгофа для определения движения жидкости в двух измерениях при постоянной скорости, данной на неизвестной линии тока».
Работы Жуковского в области аэродинамики явились источником основных идей, на которых строится авиационная наука. Он всесторонне исследовал динамику полёта птиц, 3 ноября 1891 года сделал доклад «О парении птиц». В 1892 году сделал доклад «По поводу летательного снаряда Чернушенко»; составив основные уравнения динамики для центра тяжести планирующего тела (то есть, при постоянном угле атаки), Жуковский нашёл траектории при различных условиях движения воздуха, в том числе теоретически предсказал возможность мёртвой петли.
В 1897—1898 гг. Н. Е. Жуковский исследовал причины возникновения аварий в Московском водопроводе; 21 февраля 1898 года сделал на собрании ученых и инженеров в Политехническом обществе доклад о явлениях гидравлического удара, вскрыв его механизм, вывел формулы, связывающие скорость течения, давление, плотность с радиусом трубы, в зависимости от времени и расстояния рассматриваемого сечения от выбранного начала координат. Осенью 1898 года на Х съезде русских естествоиспытателей и врачей Жуковский прочитал обзорный доклад «О воздухоплавании».
В 1904 г. Жуковский открыл закон, определяющий подъёмную силу крыла самолёта; определил основные профили крыльев и лопастей винта самолёта; разработал вихревую теорию воздушного винта. 15 ноября 1905 года Жуковским был прочитан доклад «О присоединенных вихрях», заложивший теоретическую основу развития методов определения подъемной силы крыла аэроплана; в 1906 г. он опубликован в виде отдельной научной работы. В техническом училище в 1908 г. он создал Воздухоплавательный кружок, из которого впоследствии вышли многие известные деятели авиации и техники: А. А. Архангельский, В. П. Ветчинкин, Г. М. Мусинянц, Г. Х. Сабинин, Б. С. Стечкин, А. Н. Туполев, Б. Н. Юрьев; в 1909 году Жуковский возглавил создание аэродинамической лаборатории в Московском высшем техническом училище. При его активном участии были созданы Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), Московский авиатехникум (Военно-воздушная академия).
